Evaluación del daño por impacto en laminados de material compuesto mediante la respuesta dinámica

Abstract

Composite laminates offer decisive advantages compared to more traditional materials, especially in structural applications where weight is a design-limiting factor. However, they have also shown a susceptibility to impact damage due to the lack of plastic deformation, the low transverse and interlaminar shear strength and the laminar construction to compensate the anisotropic nature of plies. Low-velocity impacts induce a significant internal damage to laminates, causing severe reductions on stiffness, compression strength and structural stability of the structure. Consequently, there is a need to develop methodologies and tools for inspection to allow early detection of structural degradation, in order to prevent premature failure or collapse. Damage detection techniques based on structural dynamic response are presented as an attractive alternative to traditional assessment techniques, among others, because for dynamic response measurement a finite number of reference points are needed. Since there is no need to fully access the structure, it can be monitored with no service interruption. The techniques are based upon the relationship between the modal parameters and the physical properties of the structure, assuming that changes occurred in these properties induced by damage cause measurable variations of the modal parameters. This thesis analyzes the feasibility of using experimental and numerical techniques based on the dynamic response for the detection and location of induced damage, for quantifying the degree of severity and predicting the residual mechanical properties of composite laminates plates after being subjected to a low-velocity impact test. This research presents a mixed experimental and numerical approach. On the one hand there is a rigorous experimental study that includes the evaluation of the impact damage resistance, the induced damage characterization, the quantification of the effects on the dynamic response and the evaluation of residual bearing capacity. The experimental study is completed with a detailed analysis of the effect induced by artificial delaminations in the dynamic response and the residual bearing capacity of laminates. On the other hand, the phenomenon has been simulated mainly by estimating the initiation and propagation of interlaminar damage and equally the induced effects in the dynamic response. As per the numerical approach, composite material is treated as a microstructure in which failure occurs in the interaction among the constituent materials. To reproduce material’s degradation a strategy of localized elastic stiffness reduction has been used, which does not require intervention during the pre-processing phase. Empirical results provide important conclusions concerning the degree of sensitivity and suitability of different modal correlation criteria for the identification of an impact-induced damage. The new correlation criteria defined and the analysis of static and dynamic residual properties have allowed to narrow the range of uncertainty and reduce the current limitation on the maximum allowable compressive deformation of the laminates. The computational tool developed allows simulating the vibrational behavior of composite laminates, defining the material and its state of degradation in the microscale. The results support the feasibility of the microstructural approach to simulate the phenomenon.

Los materiales compuestos laminados ofrecen ventajas determinantes en comparación con los materiales más tradicionales, especialmente en aplicaciones estructurales donde el peso es un factor limitante de diseño. Sin embargo, éstos también han demostrado una susceptibilidad al daño por impacto debido a la carencia de deformación plástica, a la baja resistencia transversal e interlaminar y a la construcción laminada para reducir la naturaleza anisótropa del material. Los impactos a baja velocidad inducen en los laminados un daño interno que provoca reducciones severas en la rigidez, en la resistencia y en la estabilidad estructural. Consecuentemente, se presenta la necesidad de desarrollar metodologías y herramientas de inspección que permitan una detección precoz del estado de degradación estructural, con el fin de prevenir fallos o colapsos prematuros. Las técnicas de detección de daño basadas en la respuesta dinámica estructural se presentan como una atractiva alternativa a las técnicas de evaluación tradicionales, entre otros, porque para la adquisición de la respuesta dinámica se requiere un número finito de puntos de referencia, por lo que no es necesario un acceso completo a la estructura, permitiendo la monitorización incluso sin interrupción del servicio. Las técnicas se fundamentan en la relación entre los parámetros modales y las propiedades físicas de la estructura, asumiendo que los cambios en dichas propiedades inducidos por el daño, originan variaciones cuantificables de los parámetros modales. En esta tesis se analiza la viabilidad del uso de las técnicas experimentales y numéricas basadas en la respuesta dinámica, para la detección y localización del daño inducido, la cuantificación del grado de severidad y la predicción de las propiedades mecánicas residuales de laminados de material compuesto tras ser sometidos a un impacto a baja velocidad. El trabajo de investigación comprende un enfoque mixto experimental y numérico. Por un lado constituye un riguroso estudio experimental que incluye la evaluación de la resistencia a impacto, la caracterización del daño inducido, la cuantificación de los efectos en la respuesta dinámica y la evaluación de la capacidad portante residual. El estudio experimental se completa con un minucioso análisis del efecto inducido por deslaminaciones artificiales en la respuesta dinámica y en la capacidad portante residual de los laminados. Por otro lado, se ha simulado el fenómeno estimando principalmente la iniciación y la propagación del daño interlaminar e igualmente los efectos inducidos en la respuesta dinámica. En el enfoque numérico se trata el material compuesto como un sistema microestructural, en el cual los fallos surgen en la interacción entre los materiales constituyentes. Para reproducir la degradación se emplea una estrategia de reducción localizada de la rigidez elástica del material que no demanda una intervención durante el preproceso. Los resultados empíricos aportan conclusiones relevantes en relación al grado de sensibilidad y a la adecuación de los diferentes criterios de correlación modal para la identificación del daño inducido por un impacto. Los nuevos criterios de correlación definidos y el análisis conjunto de las propiedades estáticas y dinámicas residuales, han permitido acotar el intervalo de incertidumbre y reducir la limitación actual en relación a la deformación máxima admisible a compresión de los laminados. La herramienta de cálculo desarrollada permite simular el comportamiento vibratorio de laminados compuestos definiendo el material y su estado de degradación en la microescala. Los resultados corroboran la viabilidad del enfoque microestructural para la simulación del fenómeno.